[论文解读] Possible, Impossible, and Expected Diameters and Production Rates of Droplets in Aerosols and Sprays

Maksim Mezhericher, Howard A. Stone|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 61被引用 5

一句话总结

该论文基于质量与能量守恒原理，构建了一个理论框架，用于预测液体雾化过程中可能、不可能及预期的液滴直径与流量。通过引入以欧氏数（Oh）和N数为无量纲参数的雾化图，该模型能准确预测新型气流喷射驱动雾化器及传统压力喷嘴中亚微米液滴的生成，且在广泛液体性质与流动条件下，理论预测与实验数据高度吻合。

ABSTRACT

Liquid atomization processes generating sprays and aerosols of droplets are used in many delivery and coating systems involving pure solvents, solutions, and suspensions. In our recent experimental work, we introduced a novel liquid atomization process generating micro-sprays and aerosols of submicron-diameter droplets for pure solvents, solutions, and suspensions: gas jets disintegrate thin liquid films that are formed as bubbles approach a liquid surface. Here we develop a theoretical description of droplet sizes and flow rates, using the first principles of conservation of mass and energy, and accounting for the ratios of specific energies and the ratios of specific energy rates provided by the atomizing gas and dissipated by the atomized liquid. We introduce atomization diagrams as a graphical tool to determine possible, impossible, and expected droplet diameters and specific flow rates in aerosols and sprays produced under various conditions. We find a reasonable agreement between the theory and experiments for five different liquids converted into aerosols of submicron-diameter droplets by an atomization process where gas jets disintegrate thin liquid films that are formed as bubbles approach a liquid surface, and also for five traditional pressure nozzles that produce sprays of droplets of hundreds of microns in diameter. Our study explored the overall range of Ohnesorge number between 0.01-100, and the analysis and atomization diagrams contribute to understanding of liquid atomization and can serve as a theoretical framework for comparing different liquid atomization techniques.

研究动机与目标

• 开发一种基于第一性原理的理论模型，用于预测液体雾化过程中的液滴直径与流量，克服经验方法或计算成本高昂方法的局限性。
• 建立一个统一的理论框架，适用于多种雾化技术，包括新型气流喷射使薄液膜破碎以及传统压力喷嘴。
• 引入雾化图作为图形化工具，根据给定工况将液滴尺寸与流量分类为可能、不可能（过小或过大）或预期值。
• 通过将液滴特性与无量纲数（欧氏数与N数）关联，实现不同雾化方法之间的定量比较。
• 在广泛液体范围（纯溶剂、溶液、悬浮液）与液滴尺寸范围（亚微米至数百微米）内验证模型，覆盖欧氏数Oh = 0.01–100。

提出的方法

• 采用控制体分析方法，基于稳态、绝热流动的质量守恒与热力学第一定律，忽略势能与动能变化。
• 推导出核心方程（式2），将气流喷射的比功与液体中由表面张力与黏性力耗散的比功关联，表达为无量纲群形式：欧氏数（Oh）与N数（N）。
• 在（Oh, N）平面上建立雾化图，用于将液滴直径与流量分类为可能、不可能（过小或过大）或预期值。
• 引入无量纲比流量ξ = ṅ_de / ṁ_le，以描述液滴生成速率，该参数由能量率平衡与时间尺度比推导得出。
• 使用比例系数（k5, k6）将能量率尺度（气体压力、表面张力、黏度）与比功速率关联，其中k6 ≈ π/6适用于水及水溶液。
• 通过将理论预测与五种液体（水、汽油、柴油、2 wt% 海藻酸钠、30 wt% 苯甲酸钠）及两种雾化方式（新型气流喷射膜破碎与压力喷嘴）的实验数据对比，验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种理论框架可预测液体雾化过程中可能、不可能及预期的液滴直径与流量？
• RQ2 如何将雾化的能量与质量平衡以无量纲形式表达，以实现不同液体与雾化技术之间的比较？
• RQ3 欧氏数与N数的物理解释及其在预测液滴尺寸与流量方面的预测能力为何？
• RQ4 雾化图能否有效基于输入参数（如气体压力与液体性质）对液滴特性进行分类？
• RQ5 该理论模型在多种液体与不同雾化机理下，对实验液滴直径与流量的预测精度如何？

主要发现

• 该理论模型在五种液体（水、汽油、柴油、2 wt% 海藻酸钠、30 wt% 苯甲酸钠）通过气流喷射使薄液膜破碎生成亚微米液滴的实验中，与实验数据高度一致。
• 对于水及水溶液，流量模型中的比例系数k6被确定为π/6，从而可准确预测预期的比液滴流量。
• 雾化图成功实现对液滴直径与流量的分类：区域I（雾化区）包含预期值与可能值，而区域II与III定义了不可能的极端值。
• 该模型在宽范围欧氏数（0.01–100）内均能高精度预测液滴直径与流量，涵盖低黏度与高黏度液体。
• 该模型对传统压力喷嘴的流量预测也具有高精度，证明其不仅适用于新型雾化方法，且具有广泛适用性。
• 不同k6值对应的等值线图证实了模型对比例系数的敏感性，支持其在比较不同雾化系统中的应用。